Universität zu Köln

Untersuchungen zur Rolle von I-Plastin im intestinalen Bürstensaum

Grimm-Günter, Eva-Maria (2008) Untersuchungen zur Rolle von I-Plastin im intestinalen Bürstensaum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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        Abstract

        Die Darmepithelzellen sind für die Resorption hydrolysierter Nährstoffe verantwortlich. Ihre resorbierende apikale Oberfläche wird durch einen Bürstensaum, der aus Mikrovilli und einem terminalen Netz besteht, vergrößert. Mikrovilli sind fingerartige Membranausstülpungen, die durch ein dicht gepacktes Aktinfilamentbündel gestützt werden und mit der Aktinwurzel ins terminale Netz hineinreichen. F-Aktin wird durch I-Plastin, Villin und Espin gebündelt und mit der Plasmamembran durch Myosine der Klasse I und Ezrin verknüpft. Die Aktinwurzeln werden durch Myosin IIa, Spektrin und Filamin miteinander verbunden und assoziieren mit dem Keratinnetzwerk. Obwohl die Struktur und Zusammensetzung der Mikrovilli schon seit fast 30 Jahren bekannt ist, sind die molekularen Mechanismen der Assemblierung von den Mikrovilli und des terminalen Netzes noch nicht aufgeklärt. I-Plastin gehört zu der Familie der Plastine (Fimbrine), die N-terminal zwei EF-Hände besitzen und F-Aktin mit Hilfe von zwei Zwillingsanordnungen von Calponin-Homologie-Domänen bündeln. Mitglieder dieser Familie werden gewebespezifisch exprimiert und sind im Allgemeinen an Fokalkontakten, Lammellipodien, Filopodien oder Mikrovilli und Stereozilien zu finden. I-Plastin wird spezifisch im Bürstensaum des Darms, der Niere und des Innenohrs exprimiert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Aufklärung der Rolle von I-Plastin im intestinalen Bürstensaum. Wir haben dazu die I-Plastin-Defizienz der verwendeten Mauslinie verifiziert und die Auswirkungen dieses Verlusts morphologisch und funktionell detailliert analysiert. Wir konnten mit Hilfe immunhistochemischer und biochemischer Analysen eine Kompensierung der I-Plastin-Defizienz durch andere Plastinisoformen ausschließen. Während I-Plastin defiziente Mäuse keinen äußerlich erkennbaren Phänotyp aufweisen, zeigen sowohl elektronenmikroskopische als auch immunhistochemische Analysen gravierende Unterschiede im Aufbau und in der Komposition des terminalen Netzes. So sind spezifische Komponenten des terminalen Netzes (Tropomyosin, Myosin IIa, Spektrin, β-Aktin) reduziert oder fehlen. Die organellenfreie Zone, normalerweise durch das terminale Netz ausgefüllt, erscheint schmaler. Die charakteristische Aktinwurzel fehlt meistens, in einzelnen Fällen ist sie rudimentär erkennbar. Zudem weist der intestinale Bürstensaum verkürzte Mikrovilli mit einer verengten Basis auf. Diese Veränderungen resultieren in einem instabilen Bürstensaum, einer erhöhten Empfindlichkeit vor allem der Weibchen auf die Dextran Natrium Sulfat Behandlung und einem reduzierten transepithelialen Widerstand, der durch einen erhöhten Zellumsatz der Darmepithelzellen kompensiert wird und daher zu einem äußerlich geringen Phänotyp führt. Wir konnten weiterhin zeigen, dass einige apikale Enzyme fehllokalisieren, während basolaterale Marker wie beispielsweise die Zell-Zellkontakte unverändert sind. Wir postulieren daher, dass bei I-Plastin-Defizienz ein Transportdefekt sowie eine erhöhte Endozytoserate vorliegen. Ein ganz neuer Aspekt ist die Anreicherung von I-Plastin im terminalen Netz und die mit Hilfe der Kopräzipitation ermittelte potenzielle Interaktion von I-Plastin mit Keratin 19 und Myosin IIa. Wir schlagen aus diesem Grund ein Modell vor, in dem durch die Expression und die apikale Lokalisation von I-Plastin die Mikrovilli verlängert werden. Des Weiteren wird durch eine Interaktion mit Keratin 19 das mikrovillare Aktinfilamentbündel mit der Aktinwurzel im terminalen Netz verankert. Durch eine direkte oder indirekte Rekrutierung von Myosin IIa und weiteren Proteinen durch I-Plastin erhält der Bürstensaum seine Stabilität.

        Item Type: Thesis (PhD thesis)
        Translated abstract:
        AbstractLanguage
        The intestinal tract executes essential roles as a digestive and absorptive surface. The most abundant cell population of the intestinal epithelium are the columnar cells, which bear a brush border (BB) domain at the apical surface. The BB consists of microvilli and the underlying so-called terminal web. Microvilli are cell surface projections each supported by a densely packed bundle of actin filaments that extends as a rootlet into the terminal web. In the intestinal epithelial cell each bundle is extensively cross linked by I-plastin (fimbrin), villin and espin and attached to the plasma membrane by class I myosins and ezrin. The actin rootlets are interconnected by myosin IIa, spectrin and filamin; in addition they associate with the keratin network. The architecture of the BB is known with considerable detail. Although most of their main cytoskeletal components were identified nearly 30 years ago, their actions at the molecular level in the assembly of the microvilli and the terminal web are less well understood. I-plastin is one of three mammalian plastin isoforms. They consist of two actin-binding domains in tandem preceded by two calcium-binding EF-hands. Members of the plastin family localise to focal contacts, lammellipodia, filopodia or microvilli and stereocilia. I-plastin is an actinbundling protein of the BB of the intestine, kidney and the inner ear. The aim of this thesis is to investigate the contribution of I-plastin to the BB architecture. We verified the I-plastin deficiency of a previously generated KO strain and analysed the consequences of the deficit by morphological and functional studies. We also observed that no other plastin isoform is able to compensate loss of I-plastin. Although at the whole animal level knockout mice did not show any overt phenotype, major morphological and compositional alterations of the BB, especially in the terminal web, could be assessed by ultrastructural and immunohistochemical studies. In particular the rootlet that extends the microvillar core actin bundle into the terminal web is missing or remains rudimentary. Microvilli are shorter and their width at the base is smaller. In addition several terminal web components (tropomyosin, myosin IIa, spectrin, β-actin) are decreased or absent. The organelle free zone normally occupied by the terminal web is thinner. As a consequence these BB are more fragile and especially females are more sensitive to dextran sodium sulphate treatment. These alterations also account for the decreased transepithelial resistance and the increased cell turnover. I-plastin deficiency also affects the apical targeting of some enzymes whereas basolateral markers like proteins of the junctional complexes are not affected. We postulate that loss of I-plastin leads to a partial transport defect and increased endocytosis. We also found that I-plastin is enriched in the terminal web region and establishes links with myosin IIa and keratin 19. We therefore propose a model for the role of I-plastin in assembling the BB in which expression and apical localisation of I-plastin stabilises F-actin bundles and leads to the extension of microvilli. In addition, through potential interaction of I-plastin and keratin 19 the axial bundles are anchored in the terminal web. On the basis of direct or indirect recruitment of myosin IIa and other terminal web markers, I-plastin confers rigidity to the BB.English
        Creators:
        CreatorsEmail
        Grimm-Günter, Eva-Mariaeva-maria.guenter@gmx.de
        URN: urn:nbn:de:hbz:38-24765
        Subjects: Life sciences
        Uncontrolled Keywords:
        KeywordsLanguage
        Pastin, Fimbrin, BürstensaumGerman
        plastin, fimbrin, brush borderEnglish
        Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
        Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Biochemie I
        Language: German
        Date: 2008
        Date Type: Completion
        Date of oral exam: 30 June 2008
        Full Text Status: Public
        Date Deposited: 23 Sep 2008 09:16:47
        Referee
        NameAcademic Title
        Noegel, Angelika AnnaProf. Dr.
        URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2476

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